Démonstration de la génération de faisceaus à intensité égale par Dielectric Metasurfaces

Les métasurfaces composées de réseaux d’antennes sous-ondes bidimensionnelles ont démontré de nombreuses fonctionnalités optiques prometteuses, telles que les lentilles achromatiques^1,2 ,^{hologrammes3,4,5 ,6}, et les manteaux optiques⁷. Les composants optiques encombrants conventionnels peuvent être remplacés par des métasurfaces ultraminces tout en conservant les fonctionnalités d’origine. Par exemple, un séparateur de faisceau est un dispositif optique utilisé pour séparer un faisceau incident en deux faisceaux. Les séparateurs de faisceau typiques sont faits en combinant deux prismes triangulaires. Étant donné que leurs caractéristiques d’interface déterminent les propriétés de fractionnement du faisceau, il est difficile de réduire la taille physique sans dégradation fonctionnelle. D’autre part, les séparateurs de faisceau ultraminces peuvent être réalisés avec des métasurfaces codées avec un gradient linéaire unidimensionnel de phase^8,9. L’épaisseur des métasurfaces est inférieure à leurs longueurs d’onde de travail, et les propriétés de séparation peuvent être contrôlées par la distribution de phase.

Nous avons conçu un séparateur de faisceau de métasurface qui peut générer des faisceaux d’intensité égale indépendamment des états de polarisation d’incident¹⁰. Cette caractéristique provient d’un hologramme Fourier. En raison de l’image de deux taches blanches sur un fond noir, l’hologramme généré à partir de la métasurface est le même que l’image codée. L’hologramme Fourier n’a pas de longueur focale spécifique, de sorte que l’image codée peut être observée dans tout l’espace derrière la métasurface¹¹. Si la même image à deux points est générée derrière la métasurface, elle fonctionne également comme un séparateur de faisceau. L’hologramme fourier par la métasurface crée une image inversée, qui est appelée une image jumelle, en ce qui concerne les états de polarisation orthogonale. L’image jumelle est généralement considérée comme du bruit. Cependant, l’image à deux points codée dans cette métasurface est d’origine symétrique, résultant en un chevauchement parfait des images originales et jumelles. Étant donné que les états de polarisation peuvent être représentés par une combinaison linéaire de polarisations circulaires droitier (RCP) et gaucher (LCP), l’appareil décrit ici montre la fonctionnalité indépendante de polarisation.

Ici, nous présentons un protocole pour la fabrication et la caractérisation optique des métasurfaces diélectriques permettant la génération de faisceaus à intensité égale. La distribution en phase de cet appareil est récupérée à partir de l’algorithme Gerchberg-Saxton (GS), qui est généralement utilisé pour les hologrammes de phase seulement¹². a-Si:H de 300 nm d’épaisseur est déposé sur le substrat de silice fusionné, à l’aide de PECVD. Un masque Cr est défini sur le film a-Si:H, à l’aide d’EBL. Le motif du masque correspond à la distribution de phase dérivée de l’algorithme GS. ICP-RIE est exploité pour écroquer le film a-Si:H le long du masque Cr. Le reste du masque Cr est enlevé par Cr etchant finalisant la fabrication de l’échantillon. La fonctionnalité optique de la métasurface fabriquée est caractérisée à l’aide d’une configuration optique personnalisée. Lorsqu’un faisceau laser est incident à la métasurface, le faisceau transmis est séparé en trois parties, à savoir deux faisceaux diffractés et un faisceau d’ordre zéro. Les faisceaux diffractés s’écartent d’une extension de la trajectoire du faisceau incident tandis que le faisceau de l’ordre zéro le suit. Pour vérifier la fonctionnalité de cet appareil, nous avons mesuré la puissance du faisceau, le profil du faisceau et l’angle diffracté à l’aide d’un compteur de puissance, ccD et protracteur, respectivement.

Tous les procédés de fabrication et les matériaux utilisés sont optimisés pour la fonctionnalité cible. Pour les fréquences de travail visibles, les tailles d’antennes individuelles devraient être de quelques centaines de nanomètres, et le matériau lui-même devrait avoir une faible perte optique à des longueurs d’onde visibles. Seuls quelques types de méthodes de fabrication sont applicables lors de la définition de ces petites structures. La photolithographie typique, ainsi que l’écriture laser directe, sont incapables de la fabrication en raison de la limite de diffraction. Le broyage focalisé de faisceau d’ion peut être employé, mais il y a des issues critiques de la contamination de gallium, de la dépendance de conception de modèle, et de la vitesse lente de processus. Pratiquement, EBL est le seul moyen de faciliter la fabrication de métasurfaces fonctionnant à des fréquences visibles¹³.

Dielectrics sont généralement préférés en raison de la perte ohmic inévitable de métaux. La perte optique de a-Si:H est assez faible pour notre but. Bien que la perte optique de a-Si:H n’est pas aussi faible que les diélectriques à faible perte tels que le dioxyde de titane^1,4 et le silicium cristallin¹⁴, la fabrication d’un-Si:H est beaucoup plus simple. Les processus typiques d’évaporation et de pulvérisation ne sont pas capables de déposer un film a-Si:H. PECVD est généralement nécessaire. Pendant le processus PECVD, certains atomes d’hydrogène des gaz SiH₄ et H₂ sont piégés parmi les atomes de silicium, ce qui donne un film a-Si:H. Il y a deux façons de définir les modèles a-Si:H. L’un est la déposition d’un-Si:H sur un photoresist à motifs, suivie par le processus de décollage, et l’autre est en définissant un masque de gravure sur le film a-Si:H, suivie par le processus de gravure. Le premier est bien adapté aux processus d’évaporation, mais il n’est pas facile de déposer un film a-Si:H à l’aide de l’évaporation. Par conséquent, ce dernier est le moyen optimal de faire des modèles a-Si:H. Cr est utilisé comme matériau de masque de gravure en raison de sa sélectivité de gravure élevée avec du silicium.